Batteries Lithium-ion et stockage des énergies renouvelables

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1 Batteries Lithium-ion et stockage des énergies renouvelables De la maison autonome en énergie à la transition énergétique François Barsacq Tous droits réservés easyli Décembre

2 Sommaire Technologies de stockage électrochimique Stockage d énergie et réseaux intelligents Marchés et perspectives Conclusions Tous droits réservés easyli Décembre

3 Présentation d easyli Jeune entreprise innovante créée en 2011 par des spécialistes de l industrie des batteries avancées Développe et fabrique en France des solutions de stockage d énergie à hautes performances pour les énergies renouvelables et l électromobilité Maîtrise l ensemble des savoir-faire nécessaires au développement de systèmes batteries clés-en-main Véritable partenaire de ses clients, indépendant de tout fournisseur d éléments Lithium-ion Tous droits réservés easyli Décembre 2013

4 Systèmes de stockage d énergie renouvelable Storelio, coffrets d énergie solaire avec stockage pour applications résidentielles Systèmes de batterie sur-mesure en réponse à des cahiers des charges tertiaires et industriels De 1kWh à 100kWh 4 Tous droits réservés easyli Décembre 2013

5 Sommaire Technologies de stockage électrochimique Stockage d énergie et réseaux intelligents Marchés et perspectives Conclusions Tous droits réservés easyli Décembre

6 Specific Power, W/kg at Cell Level Les technologies de batteries : diagramme de Ragone 100,000 10,000 1,000 Super capacitors Lead acid Li-ion spirally wound Very High Power Ni-MH Ni-Cd Li-ion High Power Li Metal-Polymer Lead acid Na/NiCl2 Li-ion High Energy Specific Energy, Wh/kg at Cell Level Sources: Saft, MES-DEA Tous droits réservés easyli Décembre

7 Comparaison des technologies de batteries Plomb Nickel-Cadmium Nickel-Métal Hydrure Tension cellule 2,0 V 1,2 V 1,2 V Energie Spécifique Lithium-ion 3,6 à 3,7 V 3.2 V (LFP) Wh/kg Wh/kg Wh/kg Wh/kg Cycles Domaine de Température 0 C à 50 C -30 C à 50 C -20 C à 50 C -20 C à 50 C Autodécharge ~5% /mois ~15% /mois ~25% /mois ~2% /mois Durée de vie calendaire Prix kwh (Pb base 100) Temps de charge standard 5 ans 10 ans 5-10 ans 5-15 ans à hrs 5 hrs 3-5 hrs 3 hrs Tous droits réservés easyli Décembre

8 De l élément au système batterie Source : Renault Tous droits réservés easyli Décembre

9 Constituants d un élément Lithium-ion Deux électrodes : positive/cathode, négative/anode Isolées électriquement par un séparateur Connectées par un électrolyte conducteur ionique Insérées dans un boîtier métallique ou plastique Capacités disponibles de quelques Wh à plusieurs centaines de Wh Cylindrique Prismatique Souple Tous droits réservés easyli Décembre

10 Electrodes positives Cobalt (pour mémoire, pas utilisé dans les applications industrielles) Nickel («NCA» Nickel Cobalt Aluminium) + : excellente densité d énergie, longue durée de vie, fort retour d expérience - : coût élevé, tolérance aux situations abusives Manganèse spinelle, éventuellement dopé Nickel + : coût plus faible, bonne tolérance aux situations abusives - : Densité d énergie plus faible, durée de vie plus courte NMC (mélange Nickel Manganèse Cobalt) Technologie de compromis Phosphate de fer («LFP», «LiFePO4», «batterie au fer») La plus récente technologie au stade industriel + : excellente tolérance aux abus, excellente cyclabilité - : Faible densité d énergie, durée de vie à confirmer Tous droits réservés easyli Décembre 2013 Fournisseurs Saft Japonais, coréens, chinois A123, Valence, BYD 10

11 Electrodes négatives Graphite La technologie traditionnelle Quelquefois remplacée par du carbone Titanate de Lithium Excellentes performances en puissance et en cyclabilité Au détriment d une très faible densité d énergie Silicium Stade pilote + : Densité d énergie > 250 Wh/kg - : Durée de vie en cyclage Fournisseurs Toshiba EnerDel AltairNano Panasonic Envia Nexeon Amprius Tous droits réservés easyli Décembre

12 Batteries Lithium-Soufre En développement par plusieurs start-ups : Oxis (GB) : 24 m$ levés en 2012 auprès de Sasol New Energy Sion (USA) : 50 m$ levés en 2012 auprès de BASF Polyplus (USA) Densité d énergie x 2 (350 à 400 Wh/kg) par rapport aux technologies Lithium-ion actuelles Les performances en durée de vie restent à démontrer Tous droits réservés easyli Décembre

13 Batteries «chaudes» Sodium-Chlorure de Nickel (ZF Sonic / Zebra, GE Durathon) Energie spécifique (120 Wh/kg) et durée de vie élevées Température de fonctionnement : C Uniquement disponibles en «gros»modules batteries (> 20 kwh) Lithium Métal Polymère (LMP) Batscap Bolloré Technologie réservée aux véhicules du groupe Bolloré et de ses partenaires (Gruau) Fonctionne en température (80 C) Sels de Lithium dissous dans un polymère (oxyde de polyéthylène) En série sur Blue Car - Autolib Tous droits réservés easyli Décembre

14 Batteries Sodium-Soufre Technologie propriétaire de NGK, Japon Le plus grand parc installé de systèmes de stockage électrochimiques (> 300 MW) Incident grave à la suite du tsunami de Fukushima La commercialisation reprend lentement Tous droits réservés easyli Décembre

15 Une filière industrielle foisonnante bien que 95% de la production soit asiatique Amérique du Nord Johnson Controls Compact Power (LG) Saft General Electric Valence EnerDel Altairnano Electrovaya E One Moli Europe Saft Bolloré FIAMM LiTec Leclanche Chine BYD Lishen BAK ATL Wanxiang A123 MGL Corée LG Samsung Kokam SK EIG Enertech Taiwan PHET LiFeBatt Japon Panasonic Sanyo GS-Yuasa Toshiba Hitachi NEC NGK Tous droits réservés easyli Décembre

16 Sommaire Technologies de stockage électrochimique Stockage d énergie et réseaux intelligents Marchés et perspectives Conclusions Tous droits réservés easyli Décembre

17 Les énergies renouvelables sont par essence intermittentes Profil éolien Profil photovoltaïque Tous droits réservés easyli Décembre

18 Le défi de l intégration des énergies renouvelables au réseau La gestion des réseaux électriques exige un équilibre permanent entre l offre et la demande Procédures automatisées adaptées à la gestion des systèmes centralisés Pas conçues pour gérer les sources d énergie renouvelables, intermittentes et distribuées Le stockage local des ENR est indispensable pour faciliter/permettre l intégration des énergies renouvelables Ecrêtage des pics de production, décalage de charge, îlotage Régulation de fréquence et stabilisation de tension Alternative au renforcement des réseaux Tous droits réservés easyli Décembre

19 Stockage d énergie et Smart Grid : des fonctions multiples Renewables Decoupling demand and source availability Control and integration T&D Asset management Voltage control Power quality Grid stability Trading/Generation Control / load following Energy management Peak generation Load levelling System operators Frequency control Spinning reserve Balancing End user (industry) UPS / Ride Through / Shut down Peak shaving optimization of energy purchase by load shifting (Reactive power) Source: Growders Program, 2011 Tous droits réservés easyli Décembre

20 Il n existe pas UNE solution de stockage idéale commune à tous les smart grids Source: EPRI, 2009 Tous droits réservés easyli Décembre

21 Le stockage électrochimique : moins de 1% des capacités totales installées Tous droits réservés easyli Décembre

22 Sommaire Technologies de stockage électrochimique Stockage d énergie et réseaux intelligents Marchés et perspectives Conclusions Tous droits réservés easyli Décembre

23 Les batteries au Plomb représentent 60% du marché des batteries rechargeables Tous droits réservés easyli Décembre

24 Batteries Li-ion pour smart grid en 2020 : de 5 à 10 milliards $ selon les hypothèses Source : Pike Research 2011 Tous droits réservés easyli Décembre

25 Fort développement attendu du stockage résidentiel et tertiaire couplé au solaire Environnement réglementaire favorable en Europe Forts besoins d électrification rurale dans les pays émergents Source : Lux research, 2013 Tous droits réservés easyli Décembre

26 maisons pourraient être équipées d un système de stockage en 2017 Source : HIS, 2013 Tous droits réservés easyli Décembre

27 Le cas du marché allemand en 2013 Taux d équipement photovoltaïque le plus élevé au monde Contexte tarifaire favorable : Prix du kwh élevé et en hause Tarifs de rachat faibles et en baisse la robustesse des technologies Baisse des coûts (effets d échelle) Soutien financier (600 à 660 /kwc) pour une enveloppe budgétaire totale de 25 m en installations en 6 mois Tous droits réservés easyli Décembre

28 Sommaire Technologies de stockage électrochimique Stockage d énergie et réseaux intelligents Marchés et perspectives Conclusions Tous droits réservés easyli Décembre

29 Conclusions Conclusions De nombreuses technologies de stockage sont ou seront prochainement disponibles Les batteries Lithium-ion joueront un rôle majeur dans le développement des smarts grids d ici à 2020 Les opportunités de marché sont considérables, du stockage résidentiel à la gestion des réseaux de distribution L automobile va bouleverser l industrie des batteries Lithium-ion : Amélioration des performances et de la robustesse des technologies Baisse des coûts (effets d échelle) Nombreuses opportunités d innovation dans tous les secteurs industriels, notamment de l électromobilité et des équipements utilisant les énergies renouvelables Tous droits réservés easyli Décembre 2013

30 Marché des batteries pour l électromobilité 50 milliards de dollars en 2020? Tous droits réservés easyli Décembre

31 De grands défis encore à relever Réduire les coûts d un facteur 2 à 4 pour se rapprocher des objectifs du marché à long terme : $250/kWh pour les véhicules hybrides rechargeables et électriques $20/kW pour les hybrides $250/kWh pour les réseaux intelligents Confirmer des durées de vie égales à celles des applications 10 à 20 ans Améliorer la sécurité intrinsèque en situation abusive Développer des infrastructures de charge pour PHEV et VE Préparer les prochaines générations de batteries à très forte densité d énergie et faible coût Tous droits réservés easyli Décembre

32 Tous droits réservés easyli Décembre

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